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变频系统中的谐波干扰与解决方案

波宙电抗器2019-08-13 15:40:34

     上海波宙电器有限公司是一家专业从事高低压无功补偿核心元器件研发和生产的科技型企业。主要产品包括高低压串联电抗器、高压启动电抗器、变频器配套输入输出电抗器、直流电抗器、TSC可控硅开关、集成式智能无功补偿装置、APF有源电力滤波装置等。

  随着工业自动化技术的发展,变频器的应用越来越广泛,其优良的调速性能和明显的节能效果也被人们日益称道,但变频器在运行过程中产生的谐波对电网的危害也愈发严重,因此,抑制谐波干扰,改善电能质量的要求也越来越迫切。


一、变频器的原理

  变频器是一种将电压频率固定的交流电转换为电压和频率可变的交流电的装置,主电路一般为交—直—交,三相桥式整流回路将380V/50Hz的工频交流电源整流成直流电压,通过电容滤波和大功率开关元件(IGBT,GTO等)逆变为频率可变的交流电压。


                                   
二、变频器的谐波
  从变频器的原理可知,由于逆变电路的开关特性,变频器对电源电路形成一个典型的非线性负载。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。变频器的输入侧和输出侧的电压电流中,都含有很多高次谐波成分。
    1、变频器电网侧的谐波
     如下图既是实测的某应用中变频器系统产生的谐波。变频器注入电网的主要是电流谐波。由于变频器是三相整流回路,变频器产生的谐波通常含有6n±1(n=1,2,3,……)次谐波,主要是5次、7次的谐波电流含量比较大,通常,5次含有基波电流的40-65%,7次含有基波电流的14-41%,其他阶次的谐波含量基本都在10%以下。当然,由于直流电流的脉动、交流电压相间的不平衡、延迟角相间差异、换相电抗相间差异等原因,也可能产生其他阶次的非特征谐波。



  谐波注入电网,将会使电感设备如电机、变压器、导线等产生额外的温升及绝缘的破坏,导致电气设备寿命缩短,损耗增大,同时造成电容器的故障和损害,使系统发生谐振的可能性增大,谐波也可能引起继电保护和自动装置误动、仪表指示和电能计量不准及干扰通讯系统等一系列问题。
2、变频器输出侧的波形
   在逆变输出回路中,输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器,只要是电压型变频器,不管是何种PWM控制,其输出电压波形为矩形波,其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关。电流波形是带毛刺的近似正弦波,如图所示。可见,变频器的输出波形畸变将会对电动机造成极大的危害。  
三、谐波对电动机的危害主要是:引起电动机的附加发热,导致电动机的额外温升;增加电动机的重复峰值电压,破坏电动机的绝缘,降低电动机的寿命;产生转矩脉动;加大噪声。实际应用中,电动机许多不明原因的故障均是由于谐波造成的。改善变频器输出端的波形可采用正弦波滤波器,使输出波形修正到完美的正弦波。

四、变频器谐波干扰的消除办法
  由上可知,变频器的输入输出侧的波形均已畸变 ,不再是完美的正弦波,所以必然会对周围的环境与设备造成干扰。 实际应用中,主要从传导、辐射和耦合三个方面解决变频器的干扰,总的原则是抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性。解决传导干扰主要是在电路中把干扰滤掉或者隔离,解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽,解决耦合干扰就是合理布置干扰源和被干扰线路的距离、走向,避免耦合产生。详细的措施如下:
1、隔离
  变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流
2、抑制
   在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器和电磁干扰滤波器,来抑制谐波干扰
3、屏蔽
   屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。变频器本采用铁壳屏蔽,阻止电磁干扰泄漏;输出线采用钢管屏蔽;外部信号控制变频其实,要求信号线尽可能短(一般20m以内),且采用双芯屏蔽以降低共模干扰,并与主电路及控制回路完全分离,决不能放于同一配管或线槽内,周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须接地。
4、合理布线
   一般将控制电缆于主回路或其他动力电缆分开铺设,间距通常在30cm以上,必须平行敷设且分离困难时,将控制电缆穿过钢管铺设,控制电路连接线与电源电缆交叉时,应成90度交叉布线。
5、接地
   变频器应使用专用接地线和专设的接地端子,用粗短线接地,接地点要与其他动力设备接地点分开,不能共地。

五、变频器谐波的抑制方法
  前面提到的是对于变频器谐波干扰的被动控制,为了进一步消除谐波对电网的不利影响,我们还需要从根上治理谐波,一般从两个方面入手:一方面就是装设谐波补偿装置;另一方面,对变频器本身进行改造,使其不产生谐波,或产生少量的谐波。以下就是具体的措施:
1、加装交流电抗器和直流电抗器
   加装交流电抗器,可以抑制谐波,并可以滤除30%左右的谐波电流,同时可将功率因数提高到0.8以上,加装直流电抗器,可将功率因数提高职0.9以上,若同时采用交流直流电抗器,功率因数可提高至0.95。
    举个例子:某酒店的中央空调系统风机进行变频改造,变频柜安装在低压补偿柜的附近,运行一段时间,出现一系列故障,无功控制器失灵,电容发热严重,甚至烧毁,电容投切器触点发黑。这显然是由于变频器谐波的存在造成的,经检测,谐波含量并未超标,推测由于谐波的存在引起谐振造成。由于非线性负荷不大,不建议采用滤波器来消除谐波,我们采用变频器输入侧加装交流电抗器,从根源抑制谐波,并进行电容柜改造,更换抗谐波功能的控制器,在电容器前串接电抗器的方法。经改造后,问题解决。
2、无源滤波器
   无源滤波器安装在变频器的输入侧,由 L、C、R元件构成谐波共振回路,当 LC回路的谐振频率和某一次高次谐波电流频率相同时,即对此次谐波形成低阻回路,吸收谐波,阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、结构简单、运行可靠及维护方便,缺点是滤波易受系统参数的影响,对某些次谐波有放大的可能。无源滤波器适用于负荷稳定、很少变动的场合。
3、有源滤波器
     有源滤波器实质是一个谐波发生源,并联或串联于主电路中,采用高速的DSP芯片对系统参数实时监测,分离出基波与谐波成分,再由补偿装置发出一个与谐波电流大小相等方向相反的补偿电流,达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比,具有高度可控性和快速响应性,不受系统阻抗的影响,不会发生谐振危险,可自动跟踪补偿变化的谐波。其缺点就是价格昂贵,大容量制作困难等。
4、混合滤波
     即采用无源滤波器滤除大部分谐波,有源滤波器改善特性,如此,不但起到快速滤波的作用,不受系统阻抗的影响,而且可以做到价格合理。即综合了无源滤波和有源滤波的优点:电路的多重化、多元化
5、多重化
   逆变单元的并联多元化是采用2个或多个逆变单元并联,通过波形移位叠加,抵消谐波分量;整流电路的多重化是采用12脉波、18脉波、24脉波整流,可降低谐波成分;功率单元的串联多重化是采用多脉波(如30脉波的串联),功率单元多重化线路也可降低谐波成分。
6、新的变频调制方法,如电压矢量的变形调制等。
7、绿色变频
   采用理想化的无谐波污染的绿色变频器——交交变频,绿色变频器的品质标准是:输入和输出电流都是正弦波,输入功率因数可控,带任何负载使都能使功率因数为1,可获得工频上下任意可控的输出功率。

六、总结  
      在实际应用中,首先要通过合理布线、隔离、屏蔽和接地等这样的基本方法,来抑制谐波的干扰,然后根据应用场合对谐波的要求是否严格以及现场谐波的危害程度,再来选择是否治理以及治理的办法。目前,变频器谐波的治理采用无源滤波器者居多,通过改造变频器本身来彻底解决谐波,也会在不久的将来成为现实。




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